岩体灌浆的数值模拟

认为浆液只在连通性和渗透性好的裂隙网络中流动,在模拟岩体裂隙网络基础上,建立了裂隙网络宾汉姆浆液的渗透模型,在此模型上对灌浆进行实时模拟。另外还研究了灌浆过程中裂隙变形及对灌浆的影响。计算结果表明通过该模型可预测浆液在岩体中渗透状态,改进灌浆参数.     

考虑时间因素的岩体灌浆参数设计研究

水泥灌浆常被用来提高岩体的完整性和降低其渗透性,其工艺参数的设计目前主要依赖于灌浆工程师的经验和类似工程的类比,灌浆时间一般不包括在灌浆设计参数中。根据水泥浆液在光滑顺直裂隙中的扩散运动方程,考虑水泥浆液的宾汉体流变性质和其颗粒特性,并在给出灌浆特征时间概念的基础上推导出灌浆过程中浆液扩散比与灌浆时间比的关系,提出了基于灌浆时间的灌浆结束标准,并结合岩体裂隙开度分布规律对其在灌浆设计和施工中的运用进行了分析,可为灌浆工程的设计和施工提供有益的参考。     

基于浆液–岩体耦合效应的微裂隙岩体注浆理论研究

在微裂隙岩体注浆工程中,浆液–岩体耦合效应对注浆扩散过程影响显著。基于宾汉流体浆液本构模型并引入两阶段裂隙变形控制方程,建立考虑浆–岩耦合效应的裂隙注浆扩散理论模型。利用质量守恒条件实现浆液扩散锋面追踪与注浆流量分配,通过试错法实现压力场与速度场的迭代求解,建立可完整描述注浆扩散过程的步进式算法。利用所创建的理论模型及步进式算法,分析浆液压力场及裂隙开度的分布规律,并从浆液扩散半径、裂隙变形所吸收的浆液量两个方面分析不同裂隙开度条件下浆–岩耦合效应对裂隙注浆扩散过程的影响程度。研究结果表明:在微裂隙岩体注浆工程中,裂隙宽度越小,浆–岩耦合效应对注浆扩散过程的影响越显著,注浆压力取代裂隙初始隙宽成为影响浆液扩散半径的主控因素。最后结合青岛地铁花岗岩微裂隙注浆工程实例验证了理论模型及步进式算法的正确性。     

Herschel–Bulkley浆液在裂隙中的扩散规律研究

基于柱坐标系下的流体连续性方程和动量方程,对Herschel–Bulkley浆液在光滑倾斜裂隙内做径向扩散流进行了理论推导,讨论了灌浆时间、灌浆压力、流变指数、裂隙开度及倾角对扩散规律的影响。研究结果表明：在注浆压力恒定的灌浆过程中,存在一极限扩散半径,且随着扩散范围的增大,进浆量逐渐降低,灌注难度逐渐增大;提高注浆压力以及降低浆液的流变指数有利于扩大浆液的扩散范围,且裂隙倾角越大,顺坡向与逆坡向的扩散半径差值也越大,特别是对于流变指数n小于1的剪切稀释浆液其差值尤为明显。该结果由于综合了牛顿、宾汉塑性和幂律型流变模式流体的扩散规律,从而为更好地认识各类非牛顿流体在岩体裂隙、界面、裂缝中的流动规律提供了理论参考。     

基于界面元的岩体裂隙网络渗流模型中 不稳定块体预测

 以野外不连续面现场地质调查所获得的真实裂隙展布为基础,以随机不连续面三维网络计算机模拟技术为指导,建立岩体不连续面空间分布概率统计数值模型;在此基础上,将裂隙网络和界面元相结合,用水力学和几何参数来表征裂隙岩体内渗透空间结构的具体布局,建立基于界面元与裂隙网络耦合的裂隙网络渗流模型,该模型可以通过界面元法对渗流场的模拟获得岩体网络裂隙渗流的渗径,而且可以计算出水头分布的情况,进而可以搜索出所有在临空面上出露的有限块体,确定其空间几何形态和几何参数,实现不稳定关键块体自动搜索,对于评价及预测关键块体的稳定性具有重要意义。     

岩体裂隙网络注浆模拟试验系统研制及应用

为研究浆液在岩体裂隙网络内的扩散迁移规律,研制了可视化裂隙恒压注浆试验系统。该系统由供压设备、恒压出浆设备、裂隙模拟设备以及监测设备组成,可根据试验要求设计特定岩体裂隙网络,模拟不同注浆压力、浆液黏度、裂隙开度等多种参数影响下的浆液流动过程,并可研究裂隙岩体中浆液-水/气驱替作用机制。通过单一裂隙注浆理论与试验结果的对比,验证本试验系统的可靠性。基于此,进一步研究随机裂隙网络注浆扩散机制,结果表明:(1)裂隙内同一点压力随注浆压力的增大而增大,随裂隙开度的增大而减小,不随浆液黏度的变化而变化;(2)浆液在裂隙网络内由总流分散为支流后,压力显著下降,流速放缓,且各支流压力与流量分配系数受交叉(分叉)裂隙夹角影响较大。试验系统的研制及研究成果对岩体工程注浆具有一定指导价值。     

隔河岩大坝灌浆帷幕岩体力学强度的扫描电镜试验研究

通过在扫描电镜(SEM)下对隔河岩大坝灌浆帷幕岩体的试样切片进行抗压和抗拉试验,得到了高压灌浆后水泥结石充填和胶结的裂隙面力学强度参数;并根据胶结面和岩体内微裂隙分布网络,分析了高压灌浆的加固机制和岩体变形破坏的微观机制,得到了一些有意义的结论。本文结果说明,高压水泥灌浆有助于改善岩基的强度和刚度。     

交河故城PS-C灌浆加固材料可灌性的实验室研究

为了研究交河故城保护灌浆加固材料,在不同水灰比PS-C浆液实际灌浆过程中,对不同裂隙的渗透能力及灌注效果做了初步探讨。在实验室模拟灌浆墙体的基础上,依据实际施工条件分别配置了不同水灰比的PS-C浆液,并对其灌浆过程中的灌浆压力及灌注效果进行检测,通过对检测数据的比较分析,得出了现场施工中不同裂隙宽度对浆液水灰比的选择依据。对大于1 cm宽度的裂隙应使用0.6水灰比的浆液;对介于0.75～1.0 cm的裂隙应使用0.65水灰比的浆液;当裂隙宽度在0.5～0.75 cm时应使用0.7水灰比的浆液,而当裂隙小于0.5 cm时应使用0.75水灰比的浆液。     

裂隙岩体精细结构描述及工程特性数值试验

 基于裂隙的空间形态及分布的统计特性,应用裂隙网络随机模拟技术,建立工程裂隙岩体的数字化岩体模型,并编制程序实现自动化建模。利用GeoCAAS程序进行裂隙岩体数值试验研究,发展了研究裂隙岩体的力学和水力学特性以及两者关系的方法。主要探讨裂隙岩体变形模量和渗透系数随裂隙迹长变化而演化的规律,并进一步分析变形模量和渗透系数之间的关系。     

裂隙岩体渗流场-损伤场耦合理论研究及工程应用

以岩体结构控制论为基础,把裂隙岩体看作由离散介质和拟连续介质岩体组成的复杂介质岩体。从理论分析和数值模拟两个方面,对地下水的渗流场与裂隙岩体的损伤场之间的相互作用机理进行了深入系统的研究,具体工作有以下几个方面 　　(1)从地质学、岩体力学、统计学的角度出发,定量化分析了岩体裂隙的几何特征和裂隙岩体渗透特性,为渗流场与损伤场的耦合研究奠定了基础。 　　(2)基于Betti能量互易定理,系统研究了应力场与渗流场共同作用下的岩体损伤演化机制,建立了考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体脆弹性和弹塑性断裂损伤本构模型和损伤演化方程。研究结果表明渗透压力可显著提高裂隙尖端应力强度因子,增加岩体的柔度,降低岩体强度,对裂隙岩体的力学特性具有明显的削弱作用。 　　(3)从岩体裂隙变形角度出发,建立了三维应力作用下考虑渗流与变形耦合效应的单裂隙渗流物性方程,从理论上推导了拟连续介质岩体渗透张量表达式。基于岩体裂隙的损伤变形,提出了裂隙岩体渗透张量演化方程。 　　(4)以岩体结构力学为基础,根据裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立了非稳态裂隙岩体渗流模型。该模型充分体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应。与以往研究成果相比,克服了单纯离散介质渗流模型工作量大和拟连续介质渗流模型不能正确反映裂隙水力学特性的缺点。本文还对渗流分析中存在的若干问题进行了研究。 　　(5)针对岩土工程中大小裂隙共存的特点,建立了包含离散介质和拟连续介质的裂隙岩体水力学模型,并自行开发了相应的有限元软件CPSS3D。 　　(6)将本文所建裂隙岩体水力学模型应用于某水利工程的高边坡开挖中,计算结果表明,该模型具有较好的实用性与可靠性。     

富水破碎岩体注浆加固实验与机制研究

 采用模拟富水破碎岩体注浆的方法,开展普通硅酸水泥42.5#(PO.42.5)、硫铝酸盐水泥42.5#(SAC.42.5)和自主研发水泥基复合注浆材料(CGM)的注浆加固效果实验。通过对比破碎灰岩和破碎砂岩试样注浆后结石体的单轴压缩实验结果发现,岩体破碎程度越高,注浆后强度改善效果越明显,岩石孔隙率越大,注浆后韧性增强显著。CGM材料对应注浆加固结石体强度显著高于PO和SAC材料,对多孔隙砂岩的刚性改善效果最优,且结石体沿岩–浆界面产生滑移破坏的概率最小,SAC材料次之,PO材料最差。采用扫描电子显微镜测试手段,分析岩–浆界面过渡区域矿物种类及分布形态,揭示了不同水泥类材料注浆效果产生差异的原因,从微观角度确定了岩–浆界面的胶结类型主控因素为岩石的岩性,与水泥材料类型无关。对于致密度高的灰岩类岩石属于Ollivier-Grandet模型,对于多孔隙砂岩类岩石属于Zimbelinan模型。结合对岩–浆界面过渡区域X射线衍射分析和元素扫描分析结果,证明注浆不仅改善岩石的物理力学性能,还会引发岩石组分发生化学变化,在界面区域生成类岩石矿物,可提高岩–浆界面胶结强度。     

注浆扩散与浆液若干基本性能研究

浆液流型、流变参数的时变性、可灌性、塑性强度和可重复注浆性是影响浆液扩散的基本性能。试验表明,各种浆液分别属于三种不同流型;水泥基浆液在注浆过程中流型不变;浆液粘度的时变性规律符合指数函数。研制了平板裂隙注浆装置进行试验,结果表明,普通水泥浆的最小可灌裂隙宽度并非 0.18 mm 或 0.2 mm。在重复注浆时,后注浆液克服先注浆液的粘聚力,在流道中间冲开新通道继续注入,而不是推动先注浆液向前整体移动。“塑性强度”概念可以推广到一般浆液,用这一指标可以预知浆液的可注期。基于以上试验研究成果,尤其是粘度时变性规律,建立了稳定性浆液注浆扩散模型。     

考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆浆液渗透扩散模型

为研究盾构隧道管片注浆的渗透扩散模型,以宾汉姆浆液流体为研究对象,基于广义达西定律(毛管组理论),并运用相关流体力学理论,推导了考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆渗透扩散模型的计算公式,并分析了其适用范围及各参数的确定方法。结合具体计算案例,讨论了注浆参数(注浆压力、注浆时间)、地层特性(地层渗透系数)等主要因素对浆液扩散半径的影响及浆液对管片总压力的影响。结果表明:考虑浆液自重后,浆液的扩散范围呈椭球形;相同的注浆压力下,顶部注浆孔的浆液扩散范围小于底部注浆孔浆液扩散范围(顶部注浆孔出现最小扩散半径,底部注浆孔出现最大扩散半径);注浆压力、注浆时间及地层渗透系数增大,浆液扩散半径也增大,但其增长速率均减小;注浆压力增大,管片所受的注浆压力增大,单位管片所受的浆液压力呈线性增长,考虑浆液自重后,上部单位管片所受的浆液压力大于下部单位管片所受的浆液压力;注浆压力越大,注浆时间越长,地层渗透系数越大,最大扩散半径与最小扩散半径的差值越大,即浆液自重对浆液扩散半径的影响越大。     

Grouting field experiment at the Äspö Hard Rock Laboratory

This paper presents a field experiment in grouting a fracture at the Äspö Hard Rock Laboratory in Sweden. The fracture was investigated and described in terms of transmissivity, from which a prediction of grout spread was made, based on calculations that included a model for the penetrability of cement-based grouts. In the practical part of the experiment, the fracture was grouted and separated from the rock so that visual and chemical investigations could be performed. The grout spread evaluated from the separated fracture was found to agree with the prediction. It was verified that the grout spread was halted by the limited penetrability of the grout, which was in accordance with the prediction.     

分形插值不规则断层的浆液扩散规律研究

为研究浆液在不规则断层内的扩散规律,基于自仿射分形插值曲面理论构建不规则断层,结合裂隙岩体注浆理论对断层形态、浆液黏度和注浆孔的布置对浆液扩散的影响进行了深入研究。研究结果表明：断层凹凸不平使得断层宽度呈随机分布,导致浆液呈非圆（柱）形扩散,不能依据浆液扩散半径公式来设计和布置注浆孔间距;在断层窄处,节点注浆压力等值线间距小,压力梯度大,反之亦然;浆液黏度越大,浆液所谓的惰性越强,扩散距离明显缩短,在断层注浆工程中,应结合浆液流变试验和浆液扩散数值分析成果,来优化浆液选型及配比。     

考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制

多孔介质的迂回曲折效应对浆液在其中的渗透扩散与注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,研究考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体渗流运动方程,推导考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制;基于计算机编程技术,依托COMSOL Multiphysics平台与达西定律,二次开发得到考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制的三维数值模拟程序,并以此开展不同水灰比幂律型水泥浆液在砾石土体中渗透注浆过程的数值模拟;通过对比分析,研究理论分析、模型试验与数值模拟结果验证该理论机制。研究结果表明:采用考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值较不考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机制公式得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值更接近注浆模型试验值,因此可较好地说明考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制较不考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机制公式更能反映幂律流体在多孔介质中的渗透注浆扩散规律。该研究成果可为多孔介质地层的实践注浆工程设计及施工提供一定的理论指导与技术参考。     

Sealing narrow fractures with a Newtonian fluid: Model prediction for grouting verified by field study

The increased demand for efficiency when sealing tunnels by grouting has led to a need to seal narrow fractures. The more conductive fractures are sealed by cement-based grouts, however, the limitations in penetrability make these grouts less useful for low permeable rock. Silica sol is an inorganic grouting material with high potential to penetrate narrow fractures. Its two components, silica sol and a salt solution, are both considered harmless. The salt solution (CaCl₂) is the accelerator. The field study investigates whether the penetration of a Newtonian fluid (silica sol) can be predicted and verified using numerical models, based on grout properties and hydraulic tests. The field study was conducted, in 2004, on a pillar located at 0/670 m at Äspö Hard Rock Laboratory (Äspö HRL).One, well characterised and grouted fracture was selected to be grouted with silica sol and analysed. To check the conditions of the fracture hydraulic tests were used, namely, constant head tests with single packer and they were directly followed by pressure logging in the recovery phase. The transmissivity, T, was estimated from the recovery phase of single-hole injection tests using Jacob’s method. Further, the hydraulic aperture was estimated using the well-known cubic law. For the design of the grouting parameters, gel time, injection pressure, and injection time were determined from a one-dimensional model with the penetration length set to 2.2 m. The grout was mixed with optical brightener to make the grout easier to see in the six cores drilled. The grouted borehole was over-cored, and specimens from the grouted fracture were analysed by microscope. Hydraulic tests were made after grouting to estimate the sealing efficiency of the rock mass. The penetration was also estimated in a two-dimensional model to verify length for selected grouting times.Visual observation and the hydraulic properties of two boreholes show that the penetration length is at least 1.0 m. For the numerical model in 2D, a good agreement is found. The final penetration is underestimated by the model underestimates. The hydraulic tests show that at least two boreholes were sealed with silica sol within the predicted penetration radius. The sealing efficiency was approximately 70%.     

基于浆液黏度时空变化的水平裂隙岩体注浆扩散机制

 速凝类浆液的双液混合注浆方式及其黏度时变特性导致浆液扩散区内黏度空间分布不均匀。基于此,认为速凝类浆液流型为具有黏度时变性的宾汉流体,研究其在静水条件下水平裂隙中的注浆扩散过程,建立了恒定注浆速率条件下考虑浆液黏度时空变化的水平裂隙注浆扩散理论模型,推导了浆液扩散区内的黏度及压力时空分布方程,进而得到注浆压力与注浆时间及浆液扩散半径的关系。通过与不考虑黏度空间不均匀性所得结果进行比较,说明考虑黏度空间不均匀的必要性。通过在数值计算模型中预定义黏度空间分布函数,实现了考虑黏度空间分布不均匀性的裂隙注浆数值模拟。通过理论分析、数值模拟与试验结果三者的对比,验证了理论分析及数值模拟的合理性,希望为实际注浆工程中注浆参数的确定提供一定借鉴。